JP2013165098A - Photoelectric conversion device, and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光電変換装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion device and a manufacturing method thereof.
光電変換装置の構成を開示した先行文献として、特開2000−252500号公報(特許文献1)がある。特許文献1に記載されたシリコン系薄膜光電変換装置においては、基板上に順次形成された、透明電極と、シリコン系薄膜光電変換ユニットと、光反射性金属電極を含む裏面電極とを具備している。 As a prior document disclosing the configuration of the photoelectric conversion device, there is JP 2000-252500 A (Patent Document 1). The silicon-based thin film photoelectric conversion device described in Patent Document 1 includes a transparent electrode, a silicon-based thin film photoelectric conversion unit, and a back electrode including a light reflective metal electrode, which are sequentially formed on a substrate. Yes.
このシリコン系薄膜光電変換装置において、透明電極は基板側から第1および第2透明導電膜を積層した2層構造をなし、第1透明導電膜は表面の凹凸の平均高低差が100〜1000nmであり、第2透明導電膜は平均膜厚が50〜500nmであり表面の凹凸の平均高低差が第1透明導電膜のそれよりも小さい。 In this silicon-based thin film photoelectric conversion device, the transparent electrode has a two-layer structure in which the first and second transparent conductive films are laminated from the substrate side, and the first transparent conductive film has an average height difference of surface irregularities of 100 to 1000 nm. In addition, the second transparent conductive film has an average film thickness of 50 to 500 nm, and the average height difference of the surface irregularities is smaller than that of the first transparent conductive film.
この構成により、第1透明導電膜の表面凹凸が激しい場合でも、第2透明導電膜の表面凹凸をなだらかにすればスパイク状の突起部をなくすことができ、光電変換ユニットにおける接合間の短絡を低減でき、光電変換装置の性能ばらつきを低減できるとしている。 With this configuration, even if the surface unevenness of the first transparent conductive film is severe, spike-like protrusions can be eliminated by smoothing the surface unevenness of the second transparent conductive film, and a short circuit between junctions in the photoelectric conversion unit can be achieved. It is possible to reduce the variation in performance of the photoelectric conversion device.
特許文献1の図1および2に記載されているように、第2透明導電膜の表面凹凸をなだらかにしたとしても、光反射性金属電極は、第1および第2透明導電膜の凹凸に起因した凹凸を有している。 As described in FIGS. 1 and 2 of Patent Document 1, even if the surface unevenness of the second transparent conductive film is smoothed, the light reflective metal electrode is caused by the unevenness of the first and second transparent conductive films. Have irregularities.
凹凸を有した光反射性金属においては、光反射性金属の材料および光反射性金属が接している媒質に応じた、表面プラズモン吸収と呼ばれる光吸収現象が生じる。 In the light reflective metal having irregularities, a light absorption phenomenon called surface plasmon absorption occurs depending on the material of the light reflective metal and the medium with which the light reflective metal is in contact.
表面プラズモン吸収が生じる程度の凹凸を有する光反射性金属表面に光が入射した場合、表面プラズモン吸収によって光が吸収され、光反射性金属表面において反射する光の量が減少する。この場合、光反射性金属表面において反射して光電変換層に再入射する光が少なくなるため、光電変換装置の光電変換効率が低下する要因となっていた。 When light is incident on the light-reflecting metal surface having irregularities that cause surface plasmon absorption, the light is absorbed by the surface plasmon absorption, and the amount of light reflected on the light-reflecting metal surface is reduced. In this case, light reflected on the surface of the light-reflecting metal and re-entering the photoelectric conversion layer is reduced, which has been a factor in reducing the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion device.
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、光反射性金属を含む裏面電極における光吸収現象を抑制して光電変換効率の向上を図った、光電変換装置およびその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and provides a photoelectric conversion device and a method for manufacturing the same, in which a light absorption phenomenon in a back electrode containing a light-reflecting metal is suppressed to improve photoelectric conversion efficiency. The purpose is to provide.
本発明に基づく光電変換装置は、基板と、基板上において受光面側から順に位置する、第1導電層、光電変換層、第2導電層、低屈折率層および裏面電極とを備える。低屈折率層は、第2導電層より屈折率が低くかつ透光性を有する。裏面電極は、第2導電層の一部と接触して電気的に接続されている。 The photoelectric conversion device according to the present invention includes a substrate and a first conductive layer, a photoelectric conversion layer, a second conductive layer, a low refractive index layer, and a back electrode, which are sequentially positioned on the substrate from the light receiving surface side. The low refractive index layer has a lower refractive index than the second conductive layer and has translucency. The back electrode is in contact with and electrically connected to a part of the second conductive layer.
本発明の一形態においては、基板は透光性を有している。第1導電層は基板上に位置し、光電変換層は第1導電層上に位置し、第2導電層は光電変換層上に位置し、低屈折率層は第2導電層上に位置し、裏面電極は低屈折率層上に位置する。 In one embodiment of the present invention, the substrate has translucency. The first conductive layer is located on the substrate, the photoelectric conversion layer is located on the first conductive layer, the second conductive layer is located on the photoelectric conversion layer, and the low refractive index layer is located on the second conductive layer. The back electrode is located on the low refractive index layer.
本発明の一形態においては、裏面電極は基板上に位置し、低屈折率層は裏面電極上に位置し、第2導電層は低屈折率層上に位置し、光電変換層は第2導電層上に位置し、第1導電層は光電変換層上に位置する。 In one embodiment of the present invention, the back electrode is located on the substrate, the low refractive index layer is located on the back electrode, the second conductive layer is located on the low refractive index layer, and the photoelectric conversion layer is the second conductive layer. The first conductive layer is located on the photoelectric conversion layer.
本発明の一形態においては、低屈折率層がSiO2で構成されている。
好ましくは、平面視において、第2導電層と裏面電極との接触面積が、裏面電極全体の面積の5.5%以上55%以下である。
In one embodiment of the present invention, the low refractive index layer is composed of SiO 2 .
Preferably, in a plan view, the contact area between the second conductive layer and the back electrode is 5.5% to 55% of the total area of the back electrode.
好ましくは、平面視において、第2導電層と裏面電極との接触部分の形状がグリッド状である。 Preferably, the shape of the contact portion between the second conductive layer and the back electrode is a grid shape in plan view.
本発明に基づく光電変換装置の製造方法は、基板上に、受光面側から順に第1導電層、光電変換層、第2導電層、低屈折率層および裏面電極が位置するように各層を形成する工程を備える。低屈折率層を形成する工程において、第2導電層より屈折率が低くかつ透光性を有する材料で低屈折率層を形成する。裏面電極を形成する工程において、第2導電層の一部と接触して電気的に接続されるように裏面電極を形成する。 In the method for manufacturing a photoelectric conversion device according to the present invention, each layer is formed on a substrate so that the first conductive layer, the photoelectric conversion layer, the second conductive layer, the low refractive index layer, and the back electrode are positioned in order from the light receiving surface side. The process of carrying out is provided. In the step of forming the low refractive index layer, the low refractive index layer is formed of a material having a refractive index lower than that of the second conductive layer and having a light transmitting property. In the step of forming the back electrode, the back electrode is formed so as to be in contact with and electrically connected to a part of the second conductive layer.
本発明の一形態においては、第1導電層を形成する工程の後、光電変換層を形成し、光電変換層を形成する工程の後、第2導電層を形成し、第2導電層を形成する工程の後、低屈折率層を形成し、低屈折率層を形成する工程の後、裏面電極を形成する。 In one embodiment of the present invention, after the step of forming the first conductive layer, the photoelectric conversion layer is formed, and after the step of forming the photoelectric conversion layer, the second conductive layer is formed and the second conductive layer is formed. After the step of forming, the low refractive index layer is formed, and after the step of forming the low refractive index layer, the back electrode is formed.
本発明の一形態においては、裏面電極を形成する工程の後、低屈折率層を形成し、低屈折率層を形成する工程の後、第2導電層を形成し、第2導電層を形成する工程の後、光電変換層を形成し、光電変換層を形成する工程の後、第1導電層を形成する。 In one embodiment of the present invention, after the step of forming the back electrode, the low refractive index layer is formed, and after the step of forming the low refractive index layer, the second conductive layer is formed, and the second conductive layer is formed. After the step of forming, the photoelectric conversion layer is formed, and after the step of forming the photoelectric conversion layer, the first conductive layer is formed.
本発明によれば、光反射性金属を含む裏面電極における光吸収現象を抑制して光電変換効率の向上を図れる。 According to the present invention, it is possible to improve the photoelectric conversion efficiency by suppressing the light absorption phenomenon in the back electrode containing the light reflective metal.
本明細書において、「アモルファス」は、当該分野で一般的に使われる「アモルファス」と同義語である。また、「微結晶」は、当該分野で一般的に使われるとおり、実質的に結晶相のみからなる状態だけでなく、結晶相とアモルファス相とが混在した状態のものも含む。 In the present specification, “amorphous” is synonymous with “amorphous” generally used in the art. In addition, as generally used in the field, “microcrystal” includes not only a state consisting essentially of a crystalline phase but also a state where a crystalline phase and an amorphous phase are mixed.
たとえば、ラマン散乱スペクトルにおいて、結晶シリコン中のシリコン−シリコン結合に帰属されている520cm-1付近の鋭いピークがわずかでも検出されたものは「微結晶シリコン」であると考えられており、本明細書においても同様の意味で「微結晶シリコン」を使用する。 For example, in the Raman scattering spectrum, it is considered that “microcrystalline silicon” is one in which even a sharp peak near 520 cm −1 attributed to a silicon-silicon bond in crystalline silicon is detected. “Microcrystalline silicon” is also used in the same sense in the book.
なお、本明細書中において、「微結晶シリコンゲルマニウム」とは、上記の微結晶状態となっているシリコンゲルマニウムのことである。すなわち、微結晶シリコンゲルマニウムは、実質的に結晶相のみからなる状態だけでなく、アモルファスシリコンゲルマニウム相および結晶シリコンゲルマニウム相を含む。 Note that in this specification, “microcrystalline silicon germanium” refers to silicon germanium in the above-described microcrystalline state. That is, microcrystalline silicon germanium includes not only a state substantially consisting of a crystalline phase but also an amorphous silicon germanium phase and a crystalline silicon germanium phase.
微結晶シリコンゲルマニウムにおいては、NEDO成果報告書(管理番号:20100000000638)(非特許文献1)に記載されているように、ゲルマニウム濃度の増加に比例して、結晶の単位格子サイズが、結晶シリコンの単位格子サイズから、結晶ゲルマニウムの単位格子サイズまでの範囲で変化することが知られている。 In microcrystalline silicon germanium, as described in the NEDO achievement report (management number: 20100000000638) (Non-Patent Document 1), the unit cell size of the crystal is proportional to the increase in germanium concentration. It is known to vary in the range from the unit cell size to the unit cell size of crystalline germanium.
これは、微結晶シリコンゲルマニウム層中に存在する単位格子のシリコン−ゲルマニウム結合の割合が、ゲルマニウム濃度の増加に伴って増加することを意味している。そこで、たとえばX線回折法を用いて、単位格子のサイズを測ることによって、結晶シリコンゲルマニウム相の存在を知ることができる。また、後述するラマン散乱スペクトルの分析において、結晶シリコンゲルマニウムに帰属されるピークが観測されること、または、結晶シリコンのシリコン−シリコンに帰属されるピークの位置が変化することによっても、微結晶シリコンゲルマニウム相の存在を知ることができる。 This means that the proportion of unit cell silicon-germanium bonds present in the microcrystalline silicon germanium layer increases with increasing germanium concentration. Therefore, the presence of the crystalline silicon germanium phase can be known by measuring the size of the unit cell using, for example, X-ray diffraction. In addition, in the analysis of the Raman scattering spectrum described later, the microcrystalline silicon is also observed when the peak attributed to crystalline silicon germanium is observed or the peak position attributed to silicon-silicon of crystalline silicon is changed. The presence of the germanium phase can be known.
そこで、下記のように判断する。第1.二次イオン質量分析によって、シリコンおよびゲルマニウムの存在が確認できること、第2.X線回折法における(220)回折ピーク角度から求まる単位格子のサイズが、結晶シリコンの単位格子サイズである5.43Åより大きく、結晶ゲルマニウムの単位格子サイズである5.67Åよりも小さいこと、第3.ラマン散乱スペクトルにおいて、結晶シリコンのシリコン−シリコン結合に帰属されるピークが観測されること、第4.そのピークのラマンシフト値が、ゲルマニウムを含まない結晶シリコンのラマンシフト値よりも低波数側にシフトしていること、第5.結晶シリコンゲルマニウムに帰属される400cm-1付近のピークが観測されること、これらの5条件のうち、第1、第2および第3条件を同時に満たす場合、第1、第3および第4条件を同時に満たす場合、または、第1、第3および第5条件を同時に満たす場合に、結晶シリコンゲルマニウム相が存在しているとみなし、すなわち、微結晶シリコンゲルマニウムであると判断する。 Therefore, the following judgment is made. First. The presence of silicon and germanium can be confirmed by secondary ion mass spectrometry; The size of the unit cell obtained from the (220) diffraction peak angle in the X-ray diffraction method is larger than the crystal cell unit lattice size of 5.43 mm and smaller than the crystal germanium unit cell size of 5.67 mm; 3. 3. In the Raman scattering spectrum, a peak attributed to the silicon-silicon bond of crystalline silicon is observed. The Raman shift value of the peak is shifted to a lower wave number side than the Raman shift value of crystalline silicon not containing germanium; When a peak near 400 cm −1 attributed to crystalline silicon germanium is observed, and when the first, second and third conditions are satisfied simultaneously among these five conditions, the first, third and fourth conditions are satisfied. When satisfying at the same time, or when satisfying the first, third and fifth conditions at the same time, it is considered that the crystalline silicon germanium phase is present, that is, it is determined to be microcrystalline silicon germanium.
なお、ゲルマニウム濃度が比較的低い場合、第5条件に関係する結晶シリコンゲルマニウムに帰属されるピークを観測することが難しい。そのため、上記の第1〜第4の条件を結晶シリコンゲルマニウムの有無を判別する条件として主に用いる。 When the germanium concentration is relatively low, it is difficult to observe a peak attributed to crystalline silicon germanium related to the fifth condition. Therefore, the above first to fourth conditions are mainly used as conditions for determining the presence or absence of crystalline silicon germanium.
また、一般的な薄膜シリコン太陽電池の構造として、スーパーストレート型が挙げられる。スーパーストレート型構造においては、透光性基板上に透明導電層、光電変換層および電極層がこの順に積層されて構成され、透光性基板側から光が入射するように配置される。 Moreover, a super straight type is mentioned as a structure of a general thin film silicon solar cell. In the super straight type structure, a transparent conductive layer, a photoelectric conversion layer, and an electrode layer are laminated in this order on a light transmissive substrate, and are arranged so that light enters from the light transmissive substrate side.
光電変換層は、p導電型を示す半導体層(以下、p型半導体層と称する)、真性半導体層(以下、i型半導体層と称する)、およびn導電型を示す半導体層(以下、n型半導体層と称する)から構成されるpin接合を備える場合が多い。下記の実施形態1,2においては、スーパーストレート型pin構造を有する光電変換装置を例に説明する。 The photoelectric conversion layer includes a p-type semiconductor layer (hereinafter referred to as a p-type semiconductor layer), an intrinsic semiconductor layer (hereinafter referred to as an i-type semiconductor layer), and an n-type semiconductor layer (hereinafter referred to as an n-type semiconductor layer). In many cases, a pin junction composed of a semiconductor layer is provided. In the following first and second embodiments, a photoelectric conversion device having a super straight pin structure will be described as an example.
以下、本発明の実施形態1に係る光電変換装置およびその製造方法について説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。 Hereinafter, the photoelectric conversion device and the manufacturing method thereof according to Embodiment 1 of the present invention will be described. In the following description of the embodiments, the same or corresponding parts in the drawings are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated.
(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1に係る光電変換装置の構成を示す断面図である。図1に示すように、本発明の実施形態1に係る光電変換装置100においては、基材11上に、光電変換層10と反射層17とがこの順番で積層されて構成されている。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a photoelectric conversion apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. As shown in FIG. 1, in the
<基材>
基材11は、透光性基板11aと、透光性基板11a上に形成された第1導電層11bとを含む。透光性基板11aとしては、ガラス板、または、ポリイミドもしくはポリビニルなどの耐熱性を有する透光性樹脂板、さらにそれらが積層されたものなどが好適に用いられる。
<Base material>
The
ただし、透光性基板11aの材料は、光透過性が高く、かつ、光電変換装置100の全体を構造的に支持し得るものであれば特に限定されない。また、透光性基板11aの表面に、金属膜、透光性導電膜および絶縁膜などが被覆されていてもよい。
However, the material of the
第1導電層11bは、透明導電性の材料からなる。第1導電層11bとしては、たとえば、ITO(Indium Tin Oxide)、酸化錫および酸化亜鉛などの透明導電性の膜を単層または複数層積層させたものを用いることができる。第1導電層11bは、電極として機能するため、高い電気伝導性を有することが好ましい。そのため、第1導電層11bとして、微量の不純物を添加することで電気伝導性を向上させたものを用いることもできる。
The first
第1導電層11bの形成方法としては、スパッタリング法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法、電子ビーム蒸着法、ゾルゲル法、スプレー法および電析法などの公知の方法を用いることができる。
As a method for forming the first
また、第1導電層11bの表面に凹凸形状が形成されていることが好ましい。この凹凸形状により、透光性基板11a側から入射した入射光を散乱および屈折させて光路長を伸ばすことができ、光電変換層10内での光閉じ込め効果を高めて短絡電流密度の増加を図れる。
Moreover, it is preferable that the uneven | corrugated shape is formed in the surface of the 1st
第1導電層11bの表面に凹凸形状を形成する方法としては、透光性基板11a上に第1導電層11bを形成した後、エッチング法もしくはサンドブラストなどの機械加工により凹凸形状を形成する方法、第1導電層11bの製膜時に膜材料の結晶成長により形成される凹凸状の表面形状を利用する方法、または、結晶成長面が配向しているために規則的な凹凸状の表面形状が形成されることを利用する方法などを用いてもよい。
As a method of forming a concavo-convex shape on the surface of the first
なお、第1導電層11b上に酸化亜鉛層をスパッタリング法などで形成すると、後に光電変換層10を形成する際に第1導電層11bがプラズマによって損傷を受けることを防止できるため、より好ましい。
Note that it is more preferable to form a zinc oxide layer on the first
また、光電変換層10への入射光量を増加させ、より短絡電流密度を増加させるために、第1導電層11bと光電変換層10との間に反射防止層が形成されていてもよい。反射防止層の屈折率は、第1導電層11bの屈折率と光電変換層10の屈折率との間の値であることが好ましい。具体的には、反射防止層の屈折率は、2.0以上3.0以下であることが好ましい。
In addition, an antireflection layer may be formed between the first
また、反射防止層の厚さは、30nm以上100nm以下であることが好ましい。反射防止層の適切な厚さは、反射防止層の屈折率との兼ね合い、および、反射防止を実現したい光の波長範囲によって異なる。 The thickness of the antireflection layer is preferably 30 nm or more and 100 nm or less. The appropriate thickness of the antireflection layer varies depending on the balance with the refractive index of the antireflection layer and the wavelength range of light for which antireflection is desired.
反射防止層は、比較的薄く形成される場合には絶縁性であってもよいが、光電変換層10と基材11との電気的接触を良好にする観点から、導電性を有することが望ましい。
The antireflection layer may be insulative when formed to be relatively thin, but it is desirable that it has conductivity from the viewpoint of improving the electrical contact between the
反射防止層の材料としては、たとえば、第1導電層11bの材料と同じく、ITO、酸化錫および酸化亜鉛など、その他にも二酸化チタンおよびニオブ酸化物などを用いることができる。反射防止層は、単一の屈折率を有する単層または複数層からなる積層膜でもよいし、組成傾斜法などの方法によって形成された、膜厚方向において異なる屈折率を有する単層または複数層からなる積層膜で構成されていてもよい。
As the material for the antireflection layer, for example, ITO, tin oxide, zinc oxide, etc., as well as titanium dioxide, niobium oxide, etc., can be used as in the material of the first
反射防止層の形成方法としては、スパッタリング法、CVD法、電子ビーム蒸着法、ゾルゲル法、スプレー法および電析法などの公知の方法を用いることができる。また、第1導電層11bと同様に、反射防止層の表面に凹凸形状が形成されていることが好ましい。
As a method for forming the antireflection layer, known methods such as a sputtering method, a CVD method, an electron beam evaporation method, a sol-gel method, a spray method, and an electrodeposition method can be used. Further, similarly to the first
反射防止層に凹凸形状を形成する手段としては、第1導電層11bと同様の手段を用いることができるが、第1導電層11bの凹凸形状上に反射防止層が形成されることにより、反射防止層の表面が第1導電層11bの凹凸形状に倣って凹凸形状となっていてもよい。
As a means for forming the uneven shape on the antireflection layer, the same means as the first
また、反射防止層上に酸化亜鉛層をスパッタリング法などで形成すると、後に光電変換層10を形成する際に反射防止層がプラズマによって損傷を受けることを防止できるため、より好ましい。
In addition, it is more preferable to form a zinc oxide layer on the antireflection layer by a sputtering method or the like because the antireflection layer can be prevented from being damaged by plasma when the
本実施形態においては、膜材料の結晶成長時に形成される凹凸形状を利用した基材11として、青板ガラス上にCVD法により酸化錫を堆積させたもの(旭硝子株式会社製、商品名:Asahi−U)に、スパッタリング法によって二酸化チタンを堆積させ、さらにスパッタリング法によって酸化亜鉛を堆積させたものを用いている。
In this embodiment, as the
<光電変換層>
本実施形態の光電変換層10においては、基材11側から順にp型半導体層12、i型半導体層13およびn型半導体層14が積層されて、pin接合が構成されている。
<Photoelectric conversion layer>
In the
各半導体層の膜厚は特に限定されるものではないが、p型半導体層12の膜厚が5nm以上50nm以下、i型半導体層13の膜厚が100nm以上5000nm以下、n型半導体層14の膜厚が5nm以上100nm以下であることが好ましい。より好ましくは、p型半導体層12の膜厚が10nm以上30nm以下、i型半導体層13の膜厚が200nm以上4000nm以下、n型半導体層14の膜厚が10nm以上30nm以下である。
The thickness of each semiconductor layer is not particularly limited, but the thickness of the p-
光電変換層10の構成材料の主材料はシリコンであり、特に、アモルファスシリコンまたは微結晶シリコンなどが好適である。ここで、「アモルファスシリコン」および「微結晶シリコン」は、それぞれ当該分野で一般的に使われる、「水素化アモルファスシリコン」および「水素化微結晶シリコン」を含むものとする。
The main material of the constituent material of the
p型半導体層12は、p型導電性決定元素がドープされたシリコン層である。p型導電性決定元素としては、ホウ素、アルミニウムおよびガリウムなどの不純物原子を用いることができる。なお、p型半導体層12の主材料は、アモルファスシリコンまたは微結晶シリコンであってもよい。
The p-
p型半導体層12が結晶シリコン相を含むと、高い導電性が得られて光電変換層10の直列抵抗を小さくでき、光電変換装置100の曲線因子を増加させて高い変換効率を得られるため好ましい。
It is preferable that the p-
また、結晶シリコン相を含むp型半導体層12は、i型半導体層13の結晶化のための下地層として優れる。具体的には、結晶シリコン相を含むp型半導体層12は、i型半導体層13の形成時の初期に結晶成分を成長しやすくして、結晶化率の高い高品質のi型半導体層13の成膜を可能にする。そのため、結晶シリコン相を含むp型半導体層12は、光電変換装置100の短絡電流密度を増加させて変換効率の向上に寄与する。
In addition, the p-
さらに、p型半導体層12は、炭素原子または窒素原子を不純物として含むことが好ましい。p型半導体層12が上記の不純物を含むことにより、上記の不純物を含有していないp型半導体層を有する光電変換装置に比べて、光電変換装置100の開放電圧を増加させて変換効率を向上できる。
Furthermore, the p-
その理由は明らかではないが、(1)p型半導体層12のバンドギャップが広がって拡散電位が増加すること、(2)不純物添加による結晶粒界の界面パッシベーションおよびp型半導体層とi型半導体層との界面パッシベーションの効果により界面での再結合が低減すること、などが考えられる。
The reason for this is not clear, but (1) the band gap of the p-
ただし、不純物の濃度は低い方が好ましい。不純物の濃度が低い場合、p型半導体層12とi型半導体層13との間におけるバンドギャップの不連続またはミスマッチの発生が低減するため、両層の間に界面層などを設ける必要がなくなり、簡易かつ安価に変換効率の高い光電変換装置を得ることができる。このため、本実施形態においては、p型半導体層12は、微量の炭素を含有する微結晶シリコン層からなる。なお、p型半導体層12は、炭素原子および窒素原子の両方の不純物を含んでいてもよい。
However, a lower impurity concentration is preferable. When the impurity concentration is low, the occurrence of discontinuity or mismatch of the band gap between the p-
i型半導体層13は、不純物が添加されていない微結晶シリコン層である。ただし、i型半導体層13は、実質的に真性な半導体であれば、少量の不純物元素を含んでいてもよい。この場合、i型半導体層13の材料として、微結晶シリコンの代わりにアモルファスシリコンを用いてもよい。
The i-
ただし、微結晶シリコンは、光劣化を生じないため高い光電変換効率を得られる点で、i型半導体層13の材料としてアモルファスシリコンより好ましい。また、後述するように、微結晶シリコンからなるn型半導体層14を有する光電変換装置においては、n型半導体層14とi型半導体層13との界面での再結合の低減のために、i型半導体層13が微結晶シリコンであることが好ましい。
However, microcrystalline silicon is preferable to amorphous silicon as a material for the i-
また、i型半導体層13の長波長に対する感度を高めるために、i型半導体層13がアモルファスシリコンゲルマニウムおよび微結晶シリコンゲルマニウムの少なくとも一方を含んでいてもよい。この場合、i型半導体層13中のゲルマニウムの原子組成百分率は、5原子%以上30原子%以下であることが好ましい。
In order to increase the sensitivity of the i-
ゲルマニウムの原子組成百分率が5原子%未満であると、バンドギャップがほとんど減少しないため、光電変換装置の短絡電流密度の増加を図れず好ましくない。ゲルマニウムの原子組成百分率が30原子%を超えると、バンドギャップが減少して光電変換装置の開放電圧が低下し、または、i型半導体層13の結晶粒径が小径化して光電変換装置の変換効率が低下するため好ましくない。
If the atomic composition percentage of germanium is less than 5 atomic%, the band gap is hardly reduced, and thus the short circuit current density of the photoelectric conversion device cannot be increased, which is not preferable. When the atomic composition percentage of germanium exceeds 30 atomic%, the band gap decreases and the open circuit voltage of the photoelectric conversion device decreases, or the crystal grain size of the i-
n型半導体層14は、n型導電性決定元素がドープされたシリコン層である。n型導電性決定元素としては、リン、窒素および酸素などの不純物原子を用いることができる。なお、n型半導体層14の主材料は、アモルファスシリコンまたは微結晶シリコンであってもよい。n型半導体層14が結晶シリコンを含むと、高い導電性が得られて光電変換層10の直列抵抗を小さくでき、光電変換装置100の曲線因子を増加させて高い変換効率を得られるため好ましい。
The n-
また、n型半導体層14は、炭素原子または窒素原子を不純物として含むことが好ましい。n型半導体層14が上記の不純物を含むことにより、上記の不純物を含有していないn型半導体層を有する光電変換装置に比べて、光電変換装置100の開放電圧を増加させて変換効率を向上できる。
The n-
その理由は明らかではないが、(1)n型半導体層14のバンドギャップが広がって拡散電位が増加すること、(2)不純物添加による結晶粒界の界面パッシベーションおよびi型半導体層とn型半導体層との界面パッシベーションの効果により界面での再結合が低減すること、などが考えられる。本実施形態においては、n型半導体層14は,微結晶シリコンからなる。なお、n型半導体層14は、炭素原子および窒素原子の両方の不純物を含んでいてもよい。
The reason for this is not clear, but (1) the band gap of the n-
p型半導体層12およびn型半導体層14の少なくとも一方が不純物として炭素原子を含有する場合、シリコンカーバイドの結晶相を実質的に含まないようにする。この状態は、たとえば、炭素原子を含有する微結晶シリコンのラマン散乱スペクトルを観測したとき、シリコンカーバイド結晶を構成するシリコン−カーボン結合に帰属されるピークが実質的に検出されないことによって確認することができる。また、この状態は、X線回折法においてシリコンカーバイド結晶構造に帰属される回折ピークが実質的に検出されないことによっても確認することができる。
When at least one of the p-
光電変換層10の形成方法としては、CVD法を用いることができる。CVD法としては、常圧CVD、減圧CVD、プラズマCVD、熱CVD、ホットワイヤーCVDおよびMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法などがあるが、本実施形態においてはプラズマCVD法を用いる。
As a method for forming the
プラズマCVD法により光電変換層10を形成する際に使用するシリコン含有ガスとしては、SiH4およびSi2H6などのシリコン原子を含むものであれば特に限定されないが、一般的にSiH4を用いる。
The silicon-containing gas used when forming the
シリコン含有ガスとともに使用される希釈ガスとしては、H2ガス、ArガスおよびHeガスなどを用いることができるが、アモルファスシリコンおよび微結晶シリコンの形成時には一般的にH2ガスを用いる。 As a dilution gas used together with the silicon-containing gas, H 2 gas, Ar gas, and He gas can be used, but H 2 gas is generally used when forming amorphous silicon and microcrystalline silicon.
また、p型半導体層12およびn型半導体層14の形成時には、シリコン含有ガスおよび希釈ガスとともにドーピングガスを使用する。ドーピングガスとしては、目的とする型の導電性決定元素を含むガスであれば特に限定されないが、一般的に、p型導電性決定元素がホウ素である場合はB2H6を、n型導電性決定元素がリンである場合はPH3を用いる。
Further, when forming the p-
プラズマCVD法により光電変換層10を形成する際に、基板温度、圧力、ガス流量、プラズマへの投入電力などの製膜パラメータを適切に制御することで、アモルファス相と結晶相との存在比率を制御することが可能である。
When the
<反射層>
本実施形態の反射層17においては、基材11側から順に第2導電層15、低屈折率層16bおよび裏面電極16が積層されている。具体的には、第2導電層15より屈折率が低くかつ透光性を有する低屈折率層16bが第2導電層15上に位置している。第2導電層15の一部と接触して電気的に接続された裏面電極16が低屈折率層16b上に位置している。
<Reflective layer>
In the
<裏面電極>
裏面電極16は、少なくとも1層以上の導電層で構成されていればよく、導電層の光反射率および導電率が高い程好ましい。裏面電極16の材料として、可視光の反射率が高い、銀、アルミニウム、チタンおよびパラジウムなどの金属材料、または、それらの合金を用いることができる。裏面電極16は、CVD法、スパッタリング法、真空蒸着法、電子ビーム蒸着法、スプレー法およびスクリーン印刷法などにより、光電変換層10上に形成される。
<Back electrode>
The
裏面電極16は、光電変換層10において吸収されなかった光を反射して光電変換層10に戻すため、光電変換装置100の変換効率の向上に寄与する。裏面電極16の厚さは、100nm以上400nm以下であることが好ましい。
The
<第2導電層>
光電変換層10と裏面電極16との間に第2導電層15を形成することにより、入射光に対する光閉じ込め効果の向上および光反射率の向上を図ることができる。さらに、第2導電層15を形成することにより、裏面電極16に含まれる元素が光電変換層10へ拡散することを抑制できる。
<Second conductive layer>
By forming the second
第2導電層15は、第1導電層11bと同様の材料および製法により形成される。なお、第2導電層15の厚さは、20nm以上あればよい。ただし、第2導電層15が厚すぎると、第2導電層15で生ずる光吸収のために、光電変換層10に再入射する光の量が減少する。そのため、第2導電層15の厚さは、20nm以上3000nm以下であることが好ましい。
The second
<低屈折率層>
裏面電極16に接する誘電体の屈折率と表面プラズモン吸収との関係を考察した先行文献として、JOURNAL OF APPLIED PHYSICS Vol.95,No.3,1 February 2004 pp1427-1429(非特許文献2)がある。
<Low refractive index layer>
JOURNAL OF APPLIED PHYSICS Vol.95, No.3, 1 February 2004 pp1427-1429 (Non-Patent Document 2) is a prior art document that considers the relationship between the refractive index of a dielectric in contact with the
非特許文献2のIV.DISCUSSION中に、ラフ表面を有するAgが接している誘電体の屈折率が高いほど、表面プラズモン吸収は長波長側にシフトすることが記載されている。 Non-Patent Document 2 IV. It is described in DISCUSION that the surface plasmon absorption shifts to the longer wavelength side as the refractive index of the dielectric in contact with Ag having a rough surface is higher.
本発明の特徴は、第2導電層15と裏面電極16との間に、第2導電層15より屈折率の低い低屈折率層16bを設けることにより、低屈折率層16bを設けない場合に比較して、裏面電極16と低屈折率層16bとの間の界面で発生する表面プラズモン吸収を低波長側にシフトさせることである。
A feature of the present invention is that when the low
通常のスーパーストレート型の薄膜シリコン光電変換装置において、裏面電極16に到達する光に、波長が700nmより短い短波長の光はほとんど含まれていない。すなわち、裏面電極16に到達する光の割合において、長波長の光の方が短波長の光より多い。
In a normal super straight type thin film silicon photoelectric conversion device, the light reaching the
そのため、低屈折率層16bを設けて長波長の光に対する光吸収現象を抑制することにより、裏面電極16によって反射されて光電変換層10に再入射する光の量を増加させて光電変換装置100の変換効率を増加させることができる。
For this reason, the low
低屈折率層16bは、第1導電層11bおよび第2導電層15と同様の材料および製法にて形成してもよいし、その他の材料を用いて形成してもよい。第1導電層11bおよび第2導電層15と同じ材料を用いて低屈折率層16bを形成する場合は、低屈折率層16bの屈折率を第2導電層15より低くするために、たとえば、低屈折率層16bのキャリア濃度を第2導電層15のキャリア濃度より高くする必要がある。
The low
しかしながら、低屈折率層16bは、キャリア濃度が高くなると、消衰係数が増加して低屈折率層16bにおける光吸収率が増加する。そのため、これらの関係と膜厚とのバランスを考慮して低屈折率層16bを形成する必要がある。
However, in the low
具体的には、低屈折率層16bを酸化亜鉛にガリウムをドープして形成する場合、キャリア濃度が約3×1019個/cm3のとき、波長が1000nmの光に対する屈折率が1.9、消衰係数が9×10-4となる。キャリア濃度が約7×1020個/cm3のとき、上記屈折率が1.4、消衰係数が6×10-2となる。
Specifically, when the low
このように、キャリア濃度が高くなると、同一の膜厚の低屈折率層16bの光吸収率が増加する。たとえば、低屈折率層16bの膜厚が80nmである場合、上記のようにキャリア濃度を高くすると、低屈折率層16bの光吸収率が5%程度増加する。
Thus, as the carrier concentration increases, the light absorption rate of the low
低屈折率層16bの材料として、第1導電層11bおよび第2導電層15で挙げた以外の材料としては、SiO2、Al2O3またはMgOなどの無機系酸化物、CaCO3、K2CO3、BaCO3またはSrCO3などの無機系炭酸塩、KBr、NaBr、NaF、CaF2、LiF、MgF2、BaF2またはSrF2などの無機系ハロゲン化塩、BaSO4などの無機系硫酸塩を、単独または複数種類混合して用いることができる。
As materials of the low
また、これらの材料に不純物をドープすること、または、酸素欠損を利用することによって電気伝導性を改善した材料を用いて、低屈折率層16bを形成してもよい。
Alternatively, the low
上記の材料のうち、SiO2、Al2O3またはMgF2は、安定な物質であるため取り扱いが容易であり、概して光吸収率が低く、屈折率が略1.4前後であって典型的な第2導電層15の材料より屈折率が低いため、低屈折率層16bの材料として好ましい。中でもSiO2は、それ自体の化学的安定性が高いことに加えて、接触する第2導電層15および裏面電極16に影響を与えにくい不活性な物質であるため特に好ましい。
Of the above materials, SiO 2 , Al 2 O 3, or MgF 2 is a stable material and easy to handle, and generally has a low light absorption rate and a refractive index of about 1.4. Since the refractive index is lower than the material of the second
低屈折率層16bの膜厚としては、30nm以上100nm以下であることが好ましい。本実施形態においては、波長が1000nmの光に対して屈折率が1.45であるSiO2を用いてスパッタリング法にて、膜厚が50nmとなるように低屈折率層16bを形成している。
The film thickness of the low
<第2導電層と裏面電極との接触部分の形状>
裏面電極16は、第2導電層15の一部と接触している。これにより、低屈折率層16bが電気絶縁性を有する材料で形成されている場合でも、低屈折率層16bを介さずに光電変換層10から電流を取り出すことができる。
<Shape of contact portion between second conductive layer and back electrode>
The
上記の構造を形成するためには、第2導電層15の全面を覆わないように低屈折率層16bを形成すればよい。たとえば、メタルマスクまたはフォトリソグラフィーなどの公知の方法を用いて低屈折率層16bを形成することができる。これらの方法によって、第2導電層15の一部分をマスクして低屈折率層16bの材料を成膜することによって、第2導電層15のマスクされた部分には低屈折率層16bの材料が成膜されない。その後、マスクを取り除いて裏面電極16を形成することにより、第2導電層15の一部と裏面電極16とが接触した構造を形成することができる。
In order to form the above structure, the low
なお、裏面電極16と低屈折率層16bとが接触する面積を多くするほど、光吸収現象を抑制できるため、光電変換装置100の短絡電流密度を増やすことができる。ただし、第2導電層15と裏面電極16とが接触する面積が減少するため、電流の取り出し効率が悪化して曲線因子が低下する。
In addition, since the light absorption phenomenon can be suppressed as the area where the
よって、第2導電層15と裏面電極16との接触面積には、高い光電変換効率を得るために好適な範囲が存在する。その範囲は、後述するように、裏面電極全体の面積の5.5%以上55%以下である。
Therefore, the contact area between the second
また、第2導電層15と裏面電極16との接触部分の形状を工夫することによって、さらに電流の取り出し効率を向上することができる。図2は、本実施形態に係る第2導電層と裏面電極との接触部分の形状を図1の矢印II方向から見た平面図である。図2においては、裏面電極16を透明に図示している。
Further, by devising the shape of the contact portion between the second
本実施形態においては、図2に示すように、平面視において、第2導電層15と裏面電極16との接触部分の形状がグリッド状である。具体的には、互いに間隔を置いて平行に延在するサブグリッド16cと、サブグリッド16cの延在方向に直交する方向に延在して全てのサブグリッド16cと接続されたメイングリッド16aとが形成されている。
In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the shape of the contact portion between the second
第2導電層15と裏面電極16との接触部分をメイングリッド16aとサブグリッド16cとで構成することにより、光電変換層10の全面から集電できるようになって、電流の取り出し効率が良好になる。
By configuring the contact portion between the second
サブグリッド16cの線幅は、マスクの加工精度などを勘案して、0.01mm以上1mm以下であることが好ましい。また、メイングリッド16aは、サブグリッド16cから集められた電流を集約する機能を有しているため、サブグリッド16cより太い方がよく、0.1mm以上5mm以下であることが好ましい。
The line width of the subgrid 16c is preferably 0.01 mm or more and 1 mm or less in consideration of the mask processing accuracy and the like. Moreover, since the
なお、サブグリッド16cの本数およびピッチは、第2導電層15の導電率によって、適切な設計値が異なる。第2導電層15の導電率が比較的高い場合、電流が第2導電層15を通過する距離が長い場合でも電気抵抗があまり高くならないため、サブグリッド16c同士の間隔を広くすることができる。一方、第2導電層15の導電率が低い場合、サブグリッド16c同士の間隔を狭くする必要がある。したがって、サブグリッド16c同士の間隔は、第2導電層15の導電率を勘案して、0.5mm以上2mm以下とすることが好ましい。また、メイングリッド15aの位置は、光電変換装置100の面内中央部に設けられる必要は必ずしもなく、端部に設けられていてもよい。
Note that the number and the pitch of the
本実施形態においては、サブグリッド16cの線幅を0.1mm以上1mm以下、メイングリッド16aの線幅を0.2mm以上5mm以下としている。サブグリッド16c同士の間隔を0.75mm以上1.875mm以下としている。
In the present embodiment, the line width of the sub-grid 16c is 0.1 mm to 1 mm, and the line width of the
また、光電変換装置100の端部から最も端部側に位置するサブグリッド16cまでの距離を1mmとし、光電変換装置100の端部からメイングリッド16aまでの距離を1mmとしている。
Further, the distance from the end of the
光電変換装置100の面積を100mm2とし、第2導電層15と裏面電極16との接触面積は、裏面電極16全体の面積の5.5%以上55%以下としている。
The area of the
上記の構成により、短絡電流密度および変換効率の高いスーパーストレート型の光電変換装置100を作製できる。
With the above configuration, a super straight
以下、本発明の実施形態2に係る光電変換装置およびその製造方法について説明する。本実施形態に係る光電変換装置は、タンデム型であることのみ実施形態1に係る光電変換装置100と異なるため、他の構成についてはその説明は繰り返さない。
Hereinafter, a photoelectric conversion device and a manufacturing method thereof according to Embodiment 2 of the present invention will be described. Since the photoelectric conversion device according to this embodiment is different from the
(実施形態2)
図3は、本発明の実施形態2に係る光電変換装置の構成を示す断面図である。図3に示すように、本発明の実施形態2に係るタンデム型光電変換装置200は、第1および第2の光電変換層10,20を有している。第2の光電変換層20においては、基材11側から順にp型半導体層22、i型半導体層23およびn型半導体層24が積層されて、pin接合が構成されている。
(Embodiment 2)
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a photoelectric conversion apparatus according to Embodiment 2 of the present invention. As shown in FIG. 3, the tandem
タンデム型薄膜シリコン系太陽電池においては、光入射側から最も近いpin接合をトップセル、光入射側から最も遠いpin接合をボトムセルと呼ぶことが多い。また、3つ以上のpin接合を有するタンデム型光電変換装置においては、トップセルとボトムセルの間に位置するpin接合をミドルセルと呼ぶことが多い。 In a tandem thin film silicon solar cell, the pin junction closest to the light incident side is often referred to as a top cell, and the pin junction farthest from the light incident side is referred to as a bottom cell. In a tandem photoelectric conversion device having three or more pin junctions, the pin junction located between the top cell and the bottom cell is often referred to as a middle cell.
本実施形態に係るタンデム型光電変換装置200は、スーパーストレート型構造を有する光電変換装置である。タンデム型光電変換装置200においては、基材11上に、第1の光電変換層10と第2の光電変換層20と反射層17とがこの順番で積層されて構成されている。
The tandem
第1の光電変換層10は光入射側に位置するため、第2の光電変換層20には第1の光電変換層10を透過した光のみが入射する。そのため、タンデム型光電変換装置200においては、第1および第2の光電変換層10,20のそれぞれで入射光の異なるスペクトル領域を受光できるため光の利用効率を向上でき、また、第1および第2の光電変換層10,20のそれぞれの開放電圧の和と略同等の高い開放電圧を得ることができる。
Since the first
また、光入射側に位置する第1の光電変換層10のバンドギャップを第2の光電変換層20のバンドギャップより大きくすることにより、入射光のうち短波長の光は主に第1の光電変換層10で、長波長の光は主に第2の光電変換層20で吸収されるため、タンデム型光電変換装置200の変換効率をさらに向上することができる。
Further, by making the band gap of the first
異なるバンドギャップを有するシリコン系材料としては、アモルファスシリコンカーバイド、アモルファスシリコン、アモルファスシリコンゲルマニウム、アモルファスゲルマニウム、微結晶シリコン、微結晶シリコンゲルマニウムおよび微結晶ゲルマニウムなどがある。これらを光吸収層として適宜選択して用いることができる。 Examples of silicon-based materials having different band gaps include amorphous silicon carbide, amorphous silicon, amorphous silicon germanium, amorphous germanium, microcrystalline silicon, microcrystalline silicon germanium, and microcrystalline germanium. These can be appropriately selected and used as the light absorption layer.
たとえば、トップセルにアモルファスシリコン、ボトムセルに微結晶シリコンを用いた典型的な2接合型薄膜シリコン系太陽電池においては、大きなバンドギャップを有するアモルファスシリコンが入射光のうちの短波長領域の光を吸収し、小さなバンドギャップを有する微結晶シリコンが、残りの長波長領域の光を吸収するように設計されている。 For example, in a typical two-junction thin-film silicon solar cell using amorphous silicon for the top cell and microcrystalline silicon for the bottom cell, amorphous silicon having a large band gap absorbs light in the short wavelength region of the incident light. However, microcrystalline silicon having a small band gap is designed to absorb the remaining light in the long wavelength region.
微結晶シリコンおよび微結晶シリコンゲルマニウムは、上記のように光劣化を生じないことが知られており、多接合型薄膜シリコン系太陽電池において長波長の光を吸収する材料として一般的に好んで用いられている。 Microcrystalline silicon and microcrystalline silicon germanium are known not to cause photodegradation as described above, and are generally preferred for use as materials that absorb light of long wavelengths in multi-junction thin-film silicon solar cells. It has been.
第1および第2の光電変換層10、20においては、互いのpin接合の積層方向が同一で、かつ、光入射側にp型半導体層12,22が位置するように配置されていればよく、光電変換層が3層以上ある場合も同様である。すなわち、第1の光電変換層10がpin接合を有するときは第2の光電変換層20もpin接合を有し、第1の光電変換層10がnip接合を有するときは第2の光電変換層20もnip接合を有する。
In the first and second photoelectric conversion layers 10 and 20, it is only necessary that the stacking directions of the pin junctions are the same and that the p-type semiconductor layers 12 and 22 are positioned on the light incident side. The same applies when there are three or more photoelectric conversion layers. That is, when the first
第1および第2の光電変換層10,20における各半導体層の膜厚は特に限定されるものではないが、第1の光電変換層10においては、p型半導体層12の膜厚が5nm以上50nm以下、i型半導体層13の膜厚が100nm以上500nm以下、n型半導体層14の膜厚が5nm以上50nm以下であることが好ましい。より好ましくは、p型半導体層12の膜厚が10nm以上30nm以下、i型半導体層13の膜厚が200nm以上400nm以下、n型半導体層14の膜厚が10nm以上30nm以下である。
The thickness of each semiconductor layer in the first and second photoelectric conversion layers 10 and 20 is not particularly limited, but in the first
第2の光電変換層20においては、p型半導体層22の膜厚が5nm以上50nm以下、i型半導体層23の膜厚が1000nm以上5000nm以下、n型半導体層24の膜厚が5nm以上100nm以下であることが好ましい。より好ましくは、p型半導体層22の膜厚が10nm以上30nm以下、i型半導体層23の膜厚が2000nm以上4000nm以下、n型半導体層24の膜厚が10nm以上30nm以下である。
In the second
複数のpin接合または複数のnip接合のうち少なくとも1組の互いに隣接するpin接合同士またはnip接合同士の間に中間層が形成されていてもよい。すなわち、第1の光電変換層10と第2の光電変換層20との間に中間層が形成されていてもよい。光電変換層が3層以上ある場合には、各光電変換層同士の間の少なくとも1箇所に中間層が形成されていてもよい。中間層は、透光性導電膜で構成されていることが好ましい。
An intermediate layer may be formed between at least one pair of mutually adjacent pin junctions or nip junctions among the plurality of pin junctions or the plurality of nip junctions. That is, an intermediate layer may be formed between the first
中間層を設けることにより、第1の光電変換層10を通過して中間層に入射した光の一部は中間層で反射され、残部は中間層を透過して第2の光電変換層20に入射するため、各光電変換層への入射光量を制御できるようになる。
By providing the intermediate layer, a part of the light that has passed through the first
これにより、第1および第2の光電変換層10,20における光電流の値を均等化できる。第1および第2の光電変換層10,20において発生した光生成キャリアを効率よく利用することにより、タンデム型光電変換装置200の短絡電流値を増加させて変換効率を向上することができる。
Thereby, the value of the photocurrent in the 1st and 2nd photoelectric converting
タンデム型光電変換装置200においては、第2導電層15と裏面電極16との間に、第2導電層15より屈折率の低い低屈折率層16bを設けることにより、低屈折率層16bを設けない場合に比較して、裏面電極16と低屈折率層16bとの間の界面で発生する表面プラズモン吸収を低波長側にシフトさせている。
In the tandem
低屈折率層16bを設けて長波長の光に対する光吸収現象を抑制することにより、裏面電極16によって反射されて第1および第2の光電変換層10、20に再入射する光の量を増加させてタンデム型光電変換装置200の変換効率を増加することができる。
By providing the low
上記の構成により、短絡電流密度および変換効率の高いスーパーストレート型のタンデム型光電変換装置200を作製できる。
With the above configuration, a super straight tandem
本発明は、サブストレート型の光電変換装置にも適用できる。サブストレート型の光電変換装置に本発明を適用した実施形態3について図を参照して説明する。本実施形態に係る光電変換装置300は、サブストレート型であることのみ実施形態1に係る光電変換装置100と異なるため、他の構成についてはその説明は繰り返さない。
The present invention can also be applied to a substrate type photoelectric conversion device. Embodiment 3 in which the present invention is applied to a substrate-type photoelectric conversion device will be described with reference to the drawings. Since the
(実施形態3)
図4は、本発明の実施形態3に係る光電変換装置の構成を示す断面図である。図4に示すように、本発明の実施形態3に係るサブストレート型の光電変換装置300においては、支持基板11c上に、反射層17と、光電変換層10と、第1導電層11bが、この順番で形成されている。
(Embodiment 3)
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a photoelectric conversion apparatus according to Embodiment 3 of the present invention. As shown in FIG. 4, in the substrate type
裏面電極16を一様に覆わないように低屈折率層16bを形成することによって、図4に示す構造を形成することができる。なお、裏面電極16を一様に覆わないように低屈折率層16bを形成する方法としては、上述したようにメタルマスクなどを用いる方法がある。
The structure shown in FIG. 4 can be formed by forming the low
本実施形態においては、光が第1導電層11b側から入射するため、支持基板11cは非透光性を有する材料で構成されていてもよい。または、透光性基板11aと同様に、支持基板11cは透光性を有する材料で構成されていてもよい。支持基板11cの材料としては、透光性基板11aと同様の材料を用いることができる。その他にも、ステンレス板または銅板などの金属性の板で支持基板11cが構成されていてもよい。支持基板11cの厚さは特に限定されないが、光電変換装置300の全体を構造的に支持し得る程度の強度となる厚さであればよい。
In the present embodiment, since light enters from the first
本実施形態においては、支持基板11cに、光閉じ込め効果を向上させるための図示しない凹凸が形成されている。ただし、支持基板11cが凹凸を有さずに、支持基板11c上に凹凸を有する透明導電膜などを形成、または、裏面電極16に凹凸を加工して形成してもよい。これらにより、裏面電極16上に表面粗さRMS(二乗平均平方根粗さ)が20nm以上200nm以下の凹凸が形成されていることが望ましい。
In the present embodiment, unevenness (not shown) for improving the light confinement effect is formed on the
上記の凹凸によって、反射層17自体での光閉じ込め効果が発現するとともに、第1導電層11b堆積後の表面に、裏面電極16上の凹凸形状に起因した凹凸が形成されるため、この凹凸によっても光閉じ込め効果を得ることができる。
Due to the unevenness, the light confinement effect in the
本実施形態によって、裏面電極16と低屈折率層16bとの界面で生ずる表面プラズモン吸収を減少させることができるため、サブストレート型光電変換装置300の光電変換効率を向上させることができる。
According to the present embodiment, the surface plasmon absorption generated at the interface between the
なお、本実施形態に係るサブストレート型の光電変換装置300においては、実施形態1に係るスーパーストレート型の光電変換装置100の構造と同様に、光入射側からpin構造を有しているが、光入射側からnip構造を有していてもよい。
In addition, the substrate type
また、第1導電層11b上に、集電電極が形成されていてもよい。集電電極の材料としては、裏面電極16と同様に銀などの導電性の高い材料が好んで用いられる。集電電極が非透光性の材料で形成される場合、集電電極は光電変換層10に入射する光を遮って光電変換装置の光電変換効率を低下させる要因となりうるため、平面視における集電電極の面積が小さいことが好ましい。
In addition, a collecting electrode may be formed on the first
以下、本発明に係る光電変換装置の発電特性を確認した実験例について説明する。
(実験例)
(実施例1〜5)
実施例1〜5においては、図1に示すスーパーストレート型の光電変換装置100を下記のように作製した。
Hereinafter, experimental examples in which the power generation characteristics of the photoelectric conversion device according to the present invention are confirmed will be described.
(Experimental example)
(Examples 1-5)
In Examples 1-5, the super straight type
基材11としては、透光性基板11aの表面に酸化錫系の透明導電膜からなる第1導電層11bが形成された、縦115mm×横115mm×厚み3.9mmの青板ガラス(旭硝子株式会社製、商品名:Asahi−VU)を使用した。
As the
基材11上に、スパッタリング法によって70nmの厚さとなるように二酸化チタンを堆積させ、さらにスパッタリング法によって10nmの厚さとなるように酸化亜鉛を堆積させた。
On the
その後、プラズマCVD法により後述の条件で、p型半導体層12、i型半導体層13およびn型半導体層14を順に積層して光電変換層10を形成した。続いて、光電変換層10上に、スパッタリング法により第2導電層15として80nmの厚さとなるように酸化亜鉛を、裏面電極16として400nmの厚さとなるように銀を順次堆積させて、スーパーストレート型の光電変換装置100を作製した。
Thereafter, the p-
光電変換層10の各層は以下の条件で形成した。p型半導体層12の形成には、原料ガスとしてSiH4、H2およびB2H6を含む混合ガスを用いた。SiH4に対するH2のガス流量比は150倍とし、SiH4に対するB2H6のガス流量比は0.003倍とした。
Each layer of the
p型半導体層12は、光活性層であるi型半導体層13に入射する光量を多くするために、p型半導体層としての機能を損なわない範囲で薄い方が望ましく、本実施例では20nmの膜厚とした。
The p-
i型半導体層13の形成には、原料ガスとしてSiH4およびH2を含む混合ガス用いた。SiH4に対するH2のガス流量比は80倍とした。本実施例では、i型半導体層13の膜厚を2500nmとした。
For the formation of the i-
n型半導体層14の形成には、原料ガスとしてSiH4、H2、PH3およびN2を含む混合ガス用いた。SiH4に対するH2のガス流量比は100倍とし、SiH4に対するPH3のガス流量比は0.03倍とした。
For the formation of the n-
n型半導体層14の膜厚は、裏面電極16からの反射光の吸収を抑制するため、n型半導体層としての機能を損なわない程度に薄い方が望ましく、本実施例では20nmの膜厚とした。なお、p型、i型およびn型半導体層12,13,14のプラズマCVDによる製膜時における基板温度を180℃とした。
The film thickness of the n-
続いて、第2導電層15として、スパッタリング法によって80nmの厚さとなるように酸化亜鉛を堆積させた。その後、低屈折率層16bとして、メタルマスクを装着してスパッタリング法によって50nmの厚さとなるようにSiO2を堆積させた。
Subsequently, zinc oxide was deposited as the second
メタルマスクの開口部の面積を適宜変更することによって、第2導電層15と、後工程で形成される裏面電極16との接触面積を変化させた。平面視における第2導電層15と裏面電極16との接触面積は、裏面電極16全体の面積に対して、実施例1では5.5%、実施例2では10%、実施例3では45%、実施例4では45%、実施例5では55%とした。なお、第2導電層15と裏面電極16との接触部分の形状はグリッド状とした。
By appropriately changing the area of the opening of the metal mask, the contact area between the second
その後、メタルマスクを外し、裏面電極16として、120nmの厚さとなるように銀を堆積させた。
Thereafter, the metal mask was removed, and silver was deposited as the
このようにして得られた実施例1〜5の光電変換装置について、AM1.5、放射照度100mW/cm2の条件下における、セル面積1cm2の電流−電圧特性を測定した。
For such a photoelectric conversion device of Examples 1 to 5 obtained in the, AM 1.5, under the conditions of
短絡電流密度は、実施例1では23.6mA/cm2、実施例2では23.5mA/cm2、実施例3では23.3mA/cm2、実施例4では23.3mA/cm2、実施例5では23.2mA/cm2であった。 Short-circuit current density, Example 1, 23.6mA / cm 2, Example 2, 23.5mA / cm 2, Example 3, 23.3mA / cm 2, Example 4, 23.3mA / cm 2, carried In Example 5, it was 23.2 mA / cm 2 .
開放電圧は、実施例1では0.512V、実施例2では0.512V、実施例3では0.511V、実施例4では0.512V、実施例5では0.512Vであった。 The open circuit voltage was 0.512 V in Example 1, 0.512 V in Example 2, 0.511 V in Example 3, 0.512 V in Example 4, and 0.512 V in Example 5.
曲線因子は、実施例1では0.714、実施例2では0.715、実施例3では0.715、実施例4では0.714、実施例5では0.715であった。 The fill factor was 0.714 in Example 1, 0.715 in Example 2, 0.715 in Example 3, 0.714 in Example 4, and 0.715 in Example 5.
直列抵抗は、実施例1では6Ω、実施例2では6Ω、実施例3では6Ω、実施例4では6Ω、実施例5では6Ωであった。 The series resistance was 6Ω in Example 1, 6Ω in Example 2, 6Ω in Example 3, 6Ω in Example 4, and 6Ω in Example 5.
変換効率は、実施例1では8.63%、実施例2では8.60%、実施例3では8.51%、実施例4では8.52%、実施例5では8.49%であった。 The conversion efficiencies were 8.63% in Example 1, 8.60% in Example 2, 8.51% in Example 3, 8.52% in Example 4, and 8.49% in Example 5. It was.
比較例として、下記の条件で光電変換装置を作製した。
(比較例1)
比較例1では、低屈折率層16bを形成しないこと以外は全て実施例1と同条件にして、スーパーストレート型の光電変換装置を作成した。低屈折率層16bを形成していないので、メタルマスクは用いていない。したがって、第2導電層15と裏面電極16とが全面で一様に接触している。すなわち、比較例1では、裏面電極16全体の面積に対して、平面視における第2導電層15と裏面電極16との接触面積を100%とした。
As a comparative example, a photoelectric conversion device was manufactured under the following conditions.
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, a super straight type photoelectric conversion device was prepared under the same conditions as in Example 1 except that the low
比較例1の光電変換装置について、AM1.5、放射照度100mW/cm2の条件下における、セル面積1cm2の電流−電圧特性を測定した。
Photoelectric conversion device of Comparative Example 1, AM 1.5, under the conditions of
比較例1において、短絡電流密度は23.0mA/cm2、開放電圧は0.511V、曲線因子は0.715、直列抵抗は6Ω、変換効率は8.40%であった。 In Comparative Example 1, the short-circuit current density was 23.0 mA / cm 2 , the open circuit voltage was 0.511 V, the fill factor was 0.715, the series resistance was 6Ω, and the conversion efficiency was 8.40%.
(比較例2)
比較例2では、低屈折率層16bの形成時にメタルマスクを用いないこと以外は全て実施例1と同条件にして、スーパーストレート型の光電変換装置を作成した。メタルマスクを用いていないので、第2導電層15と裏面電極16とは全く接触していない。すなわち、比較例2では、裏面電極16全体の面積に対して、平面視における第2導電層15と裏面電極16との接触面積を0%とした。
(Comparative Example 2)
In Comparative Example 2, a super straight type photoelectric conversion device was produced under the same conditions as in Example 1 except that a metal mask was not used when forming the low
比較例2の光電変換装置について、AM1.5、放射照度100mW/cm2の条件下における、セル面積1cm2の電流−電圧特性を測定した。
Photoelectric conversion device of Comparative Example 2, AM 1.5, under the conditions of
比較例2において、短絡電流密度は8.2mA/cm2、開放電圧は0.182V、曲線因子は0.255、直列抵抗は500Ω、変換効率は0.38%であった。 In Comparative Example 2, the short-circuit current density was 8.2 mA / cm 2 , the open circuit voltage was 0.182 V, the fill factor was 0.255, the series resistance was 500Ω, and the conversion efficiency was 0.38%.
(比較例3)
比較例3では、低屈折率層16bの形成時に、グリッド形状ではなく一様な開口を有するメタルマスクを用いたこと以外は全て実施例1と同条件にして、スーパーストレート型の光電変換装置を作成した。比較例3では、裏面電極16全体の面積に対して、平面視における第2導電層15と裏面電極16との接触面積を5.5%とした。
(Comparative Example 3)
In Comparative Example 3, a super straight type photoelectric conversion device was formed under the same conditions as in Example 1 except that a metal mask having a uniform opening instead of a grid shape was used when forming the low
比較例3の光電変換装置について、AM1.5、放射照度100mW/cm2の条件下における、セル面積1cm2の電流−電圧特性を測定した。
Photoelectric conversion device of Comparative Example 3, AM 1.5, under the conditions of
比較例3において、短絡電流密度は23.4mA/cm2、開放電圧は0.502V、曲線因子は0.533、直列抵抗は22Ω、変換効率は6.26%であった。 In Comparative Example 3, the short-circuit current density was 23.4 mA / cm 2 , the open circuit voltage was 0.502 V, the fill factor was 0.533, the series resistance was 22Ω, and the conversion efficiency was 6.26%.
(比較例4)
比較例4では、サブグリッド16cおよびメイングリッド16aを細線化したこと以外は全て実施例1と同条件にして、スーパーストレート型の光電変換装置を作成した。比較例4では、裏面電極16全体の面積に対して、平面視における第2導電層15と裏面電極16との接触面積を4.5%とした。
(Comparative Example 4)
In Comparative Example 4, a super straight type photoelectric conversion device was created under the same conditions as in Example 1 except that the sub-grid 16c and the
比較例4の光電変換装置について、AM1.5、放射照度100mW/cm2の条件下における、セル面積1cm2の電流−電圧特性を測定した。
For the photoelectric conversion device of Comparative Example 4, AM 1.5, under the conditions of
比較例4において、短絡電流密度は23.6mA/cm2、開放電圧は0.512V、曲線因子は0.698、直列抵抗は7Ω、変換効率は8.43%であった。 In Comparative Example 4, the short-circuit current density was 23.6 mA / cm 2 , the open-circuit voltage was 0.512 V, the fill factor was 0.698, the series resistance was 7Ω, and the conversion efficiency was 8.43%.
(比較例5)
比較例5では、サブグリッド16cおよびメイングリッド16aを太線化したこと以外は全て実施例1と同条件にして、スーパーストレート型の光電変換装置を作成した。比較例5では、裏面電極16全体の面積に対して、平面視における第2導電層15と裏面電極16との接触面積を63.5%とした。
(Comparative Example 5)
In Comparative Example 5, a super straight type photoelectric conversion device was created under the same conditions as in Example 1 except that the sub-grid 16c and the
比較例5の光電変換装置について、AM1.5、放射照度100mW/cm2の条件下における、セル面積1cm2の電流−電圧特性を測定した。
For the photoelectric conversion device of Comparative Example 5, AM 1.5, under the conditions of
比較例5において、短絡電流密度は23.0mA/cm2、開放電圧は0.512V、曲線因子は0.716、直列抵抗は6Ω、変換効率は8.43%であった。 In Comparative Example 5, the short-circuit current density was 23.0 mA / cm 2 , the open circuit voltage was 0.512 V, the fill factor was 0.716, the series resistance was 6Ω, and the conversion efficiency was 8.43%.
以下、実施例1〜5および比較例1〜5の実験結果について考察する。表1は、実施例1〜5および比較例1〜5の実験結果をまとめたものである。 Hereinafter, the experimental results of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 5 will be considered. Table 1 summarizes the experimental results of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 5.
(実施例1〜5と比較例1,4,5との比較)
第2導電層15と裏面電極16との間に低屈折率層16bを形成し、第2導電層15と裏面電極16とが部分的に接触する構造を有する実施例1〜5の光電変換装置では、低屈折率層16bを形成しなかった比較例1と比較して、高い短絡電流密度が得られた。これは、裏面電極16での光吸収現象が抑制されたことによるものであると考えられる。
(Comparison between Examples 1-5 and Comparative Examples 1, 4, 5)
The photoelectric conversion devices of Examples 1 to 5 having a structure in which the low
また、第2導電層15と裏面電極16との接触面積を裏面電極16全体の面積に対して4.5%とした比較例4の光電変換装置では、第2導電層15と裏面電極16との接触面積を裏面電極16全体の面積に対して5.5%以上55%以下とした実施例1〜5の光電変換装置より、直列抵抗が増加したことによって曲線因子が低下して、変換効率が低下した。これは、グリッド同士の間隔が増加したことによって、光生成キャリアが第2導電層15を通過する距離が長くなって、第2導電層15での電気抵抗が増加したことによるものと考えられる。
In the photoelectric conversion device of Comparative Example 4 in which the contact area between the second
第2導電層15と裏面電極16との接触面積を裏面電極16全体の面積に対して63.5%とした比較例5の光電変換装置では、十分に電流の取り出しができているため曲線因子の低下は認められないが、短絡電流密度が増加していなかった。これは、低屈折率層16bが形成されている面積が少なすぎるために、光吸収現象の抑制効果が小さかったためと考えられる。
In the photoelectric conversion device of Comparative Example 5 in which the contact area between the second
(実施例1と比較例2との比較)
第2導電層15と裏面電極16とが接触しない構造とした比較例2の光電変換装置では、第2導電層15と裏面電極16とが部分的に接触している実施例1の光電変換装置より、直列抵抗が増加したため、曲線因子が低下した。また、短絡電流密度も低下した。これは、低屈折率層16bが絶縁性のSiO2で構成されているため、比較例2の光電変換装置においてキャリアが低屈折率層16bを通過して裏面電極16に到達する際に、低屈折率層16bが電気抵抗となって、曲線因子の低下および電流の取り出し不良を引き起こしたことによるものと考えられる。
(Comparison between Example 1 and Comparative Example 2)
In the photoelectric conversion device of Comparative Example 2 in which the second
(実施例1と比較例3との比較)
第2導電層15と裏面電極16とが接触してはいるが、接触部分の形状がグリッド形状ではなく一様な比較例3の光電変換装置では、短絡電流密度は実施例1の光電変換装置と同程度であったが、直列抵抗が増加したことによって曲線因子が低下し、変換効率は実施例1の光電変換装置より低くなった。これは、裏面電極16の面内全面を通じたキャリアの収集ができなかったことにより、光生成キャリアが第2導電層15を通過する距離が長くなって、第2導電層15での電気抵抗が増加したことによるものと考えられる。
(Comparison between Example 1 and Comparative Example 3)
In the photoelectric conversion device of Comparative Example 3 in which the second
今回開示された実施形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
10 第1の光電変換層、11 基材、11a 透光性基板、11b 第1導電層、11c 支持基板、12,22 p型半導体層、13 i型半導体層、14,24 n型半導体層、15 第2導電層、15a、16a メイングリッド、16 裏面電極、16b 低屈折率層、16c サブグリッド、16d 肩部、17 反射層、20 第2の光電変換層、100 スーパーストレート型の光電変換装置、200 スーパーストレート型のタンデム型光電変換装置、300 サブストレート型の光電変換装置。 10 first photoelectric conversion layer, 11 base material, 11a translucent substrate, 11b first conductive layer, 11c support substrate, 12, 22 p-type semiconductor layer, 13 i-type semiconductor layer, 14, 24 n-type semiconductor layer, 15 Second conductive layer, 15a, 16a Main grid, 16 Back electrode, 16b Low refractive index layer, 16c Subgrid, 16d Shoulder, 17 Reflective layer, 20 Second photoelectric conversion layer, 100 Super straight type photoelectric conversion device , 200 Super straight type tandem photoelectric conversion device, 300 Substrate type photoelectric conversion device.
Claims (9)
前記基板上において受光面側から順に位置する、第1導電層、光電変換層、第2導電層、低屈折率層および裏面電極と
を備え、
前記低屈折率層は、前記第2導電層より屈折率が低くかつ透光性を有し、
前記裏面電極は、前記第2導電層の一部と接触して電気的に接続されている、光電変換装置。 A substrate,
A first conductive layer, a photoelectric conversion layer, a second conductive layer, a low refractive index layer, and a back electrode, which are sequentially disposed on the substrate from the light receiving surface side,
The low refractive index layer has a lower refractive index than the second conductive layer and has translucency,
The back electrode is a photoelectric conversion device in contact with and electrically connected to a part of the second conductive layer.
前記第1導電層は前記基板上に位置し、
前記光電変換層は前記第1導電層上に位置し、
前記第2導電層は前記光電変換層上に位置し、
前記低屈折率層は前記第2導電層上に位置し、
前記裏面電極は前記低屈折率層上に位置する、請求項1に記載の光電変換装置。 The substrate has translucency;
The first conductive layer is located on the substrate;
The photoelectric conversion layer is located on the first conductive layer,
The second conductive layer is located on the photoelectric conversion layer;
The low refractive index layer is located on the second conductive layer;
The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the back electrode is located on the low refractive index layer.
前記低屈折率層は前記裏面電極上に位置し、
前記第2導電層は前記低屈折率層上に位置し、
前記光電変換層は前記第2導電層上に位置し、
前記第1導電層は前記光電変換層上に位置する、請求項1に記載の光電変換装置。 The back electrode is located on the substrate;
The low refractive index layer is located on the back electrode;
The second conductive layer is located on the low refractive index layer;
The photoelectric conversion layer is located on the second conductive layer,
The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the first conductive layer is located on the photoelectric conversion layer.
前記低屈折率層を形成する工程において、前記第2導電層より屈折率が低くかつ透光性を有する材料で前記低屈折率層を形成し、
前記裏面電極を形成する工程において、前記第2導電層の一部と接触して電気的に接続されるように前記裏面電極を形成する、光電変換装置の製造方法。 On the substrate, the step of forming each layer so that the first conductive layer, the photoelectric conversion layer, the second conductive layer, the low refractive index layer and the back electrode are located in order from the light receiving surface side,
In the step of forming the low refractive index layer, the low refractive index layer is formed of a material having a refractive index lower than that of the second conductive layer and having translucency,
In the step of forming the back electrode, the back electrode is formed so as to be in contact with and electrically connected to a part of the second conductive layer.
前記光電変換層を形成する工程の後、前記第2導電層を形成し、
前記第2導電層を形成する工程の後、前記低屈折率層を形成し、
前記低屈折率層を形成する工程の後、前記裏面電極を形成する、請求項7に記載の光電変換装置の製造方法。 After the step of forming the first conductive layer, forming the photoelectric conversion layer,
After the step of forming the photoelectric conversion layer, the second conductive layer is formed,
After the step of forming the second conductive layer, forming the low refractive index layer,
The method for manufacturing a photoelectric conversion device according to claim 7, wherein the back electrode is formed after the step of forming the low refractive index layer.
前記低屈折率層を形成する工程の後、前記第2導電層を形成し、
前記第2導電層を形成する工程の後、前記光電変換層を形成し、
前記光電変換層を形成する工程の後、前記第1導電層を形成する、請求項7に記載の光電変換装置の製造方法。 After the step of forming the back electrode, the low refractive index layer is formed,
After the step of forming the low refractive index layer, forming the second conductive layer,
After the step of forming the second conductive layer, the photoelectric conversion layer is formed,
The method for manufacturing a photoelectric conversion device according to claim 7, wherein the first conductive layer is formed after the step of forming the photoelectric conversion layer.
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